CN105891051A - 一种利用紫外光致亲水性判断HVPE外延生长蓝宝石衬底GaN掺杂类型的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用紫外光致亲水性判断HVPE外延生长蓝宝石衬底GaN掺杂类型的方法，具体步骤包括：将待测GaN样品在紫外灯下照射，在紫外灯下照射后，如果待测GaN样品的接触角较紫外灯下照射之前降低了至少10°以上，则待测GaN样品为N型GaN，否则，该测试样品为P型GaN。本发明所采用判别方法耗时短，可以快速得到测试结果，与之前的判别方法相比省去了繁琐的多个数据点采集以及后续数据处理的操作。本发明所采用的GaN掺杂类型判别方法中，紫外光照射后的N型GaN样品在黑暗中放置约三天左右其表面接触角可恢复原状态，对测试样品表面无电极制备等任何破坏，在测试结束后还可应用于其他实验中。

Description

一种利用紫外光致亲水性判断HVPE外延生长蓝宝石衬底GaN掺杂类型的方法

技术领域

本发明涉及一种利用紫外光致亲水性判断HVPE外延生长蓝宝石衬底GaN掺杂类型的方法，属于半导体材料测试表征技术领域。

背景技术

半导体材料是最重要最具有影响力的功能材料之一，如今它已被广泛的应用于微电子和光电子领域。其中GaN(带隙～3.4eV)作为新一代半导体材料的代表之一，因其热导率高、击穿电场强、电子迁移率大等特点在高温、高压、高频的大功率器件应用中更是具有非常可观的前景。通过对完全纯净、具有完整晶体结构的本征半导体进行掺杂，可以控制和改变其导电能力，而根据所掺入杂质的不同，又可以形成P型和N型半导体。在半导体材料电学性质的检定中，导电类型的确定一直是一项非常重要的内容。在以往的半导体导电类型的确定方法中，主要包括以下几种：

一、Hall效应法(范德堡法)：

霍尔效应在1879年被物理学家霍尔发现，它定义了磁场和感应电压之间的关系。当电流通过一个位于磁场中的导体的时候，磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向上的作用力，从而在垂直于导体与磁感线的两个方向上产生电势差。产生的电势差对应的霍尔电场与所加磁场和电流密度的乘积成比例，比例系数又称为霍尔系数。霍尔系数为正，则为P型样品，为负，则是N型样品。1958年范德堡对此方法做了改进，使之可以对任意样品形状进行测试。Hall效应法的不足之处在于：1、测试成本高。除了仪器昂贵之外，测试时需要在样品上制作接触电极，此操作会使样品表面遭到破坏，导致在测试结束后该样品不能用于其他实验，这点对于生产成本还较高的GaN而言，是不太适宜的。2、测试时间长。虽然现在已对测试仪器进行了高度集成，但想要得到确切结果需要测试多个输入电流下的电压值，才能得到霍尔系数。另外，此方法在测试过程中常常伴随负效应的出现，比如艾延豪森效应、能脱斯效应、里伦一勒杜克效应。消除这些负效应常用改变磁场或电流方向的方法，对测量结果取平均值，这也毫无疑问的增加了测试的时间。

二、电化学C-V法(Mott-Schottky曲线法)：

该方法利用Mott-Schottky方程描述的半导体的空间电荷层微分电容C_SC与半导体表面对于本体电势的关系进行判断：

$\frac{1}{{C_{SC}}^2}=\frac{2}{{\mathrm{\ϵ\ϵ}}_0{\mathrm{eN}}_d}(E-E_{fb}-\frac{kT}{e})$

$\frac{1}{{C_{SC}}^2}=-\frac{2}{{\mathrm{\ϵ\ϵ}}_0{\mathrm{eN}}_a}(E-E_{fb}-\frac{kT}{e})$

式中ε为相对介电常数，ε₀为真空介电常数，N_d是N型半导体载梳子密度，N_a是P型半导体载梳子密度，E及E_fb分别为电极电势及平带电势，均相对于特定的参比电极。根据上述方程，测得的对E作图应为一直线，即Mott-Schottky曲线。若所绘直线斜率为E，则为N型半导体，若为负，则为P型半导体。电化学C-V法的不足之处在于:1、电解液选取困难。有文献指出，电解液的选取需满足两个条件，一是该电解液对所要测量的半导体材料有电解腐蚀作用；二是电解液与该半导体接触时需形成肖特基结。而GaN是一种非常稳定的半导体材料，在常温下的许多酸碱溶液中都很难被腐蚀。2、电极制备困难。由于要保证肖特基结形成于电解液/半导体界面，所以GaN上的电极接触需满足欧姆接触的条件，但是在GaN上制备欧姆接触电极不仅过程复杂而且还会额外增加了测试的成本。前面也提到，电极的制备对GaN表面会形成破坏作用，使之不能继续应用于后续实验。另外，在进行测试的溶液环境中，需要保证除GaN面之外其余部分与电解液接触的绝缘性，否则制备好的表面电极会优先被电解液腐蚀或者造成短路，这也增加了该方法进行测试的难度。

三、冷热探针法：

该方法利用塞贝克效应，即当两个温度不同的探针与半导体表面接触时所产生的温差电动势的关系进行判断。对于P型半导体来说，有：

$\mathrm{\ξ}=\frac{k_0}{q}(\frac{3}{2}+{\mathrm{\α}}_p)(T_2-T_1)$

对于N型半导体来说，有：

$\mathrm{\ξ}=-\frac{k_0}{q}(\frac{3}{2}+{\mathrm{\α}}_n)(T_2-T_1)$

式中ξ为温差电动势，T₁和T₂分别是冷端和热端的温度，k₀为波尔兹曼常数，q为基本电荷常数，α_p和α_n是跟半导体材料的掺杂浓度为有关的一个物理量。在半导体表面的两端产生不同的温差可以对应产生不同的电动势，若绘制出ξ与(T₂-T₁)的直线斜率为正，则是P型半导体，若为负，则是N型半导体。冷热探针法的不足之处在于：1、测试时间长。需要测试多个不同温差下的不同温差电动势之后才能进行二者之间比例关系的绘制，这将使工作量大大增加。2、存在安全隐患。对于热导率较高的GaN而言(～2.3W/cmK)，需要在一个较大的温差范围内才能绘制出有效的关系曲线，这意味着需要温度较高的热源或温度较低的冷源，文献中所使用的热源温度已高达200℃，高温热源的使用不仅会增加测试操作的难度，还存在较大的安全隐患。而在测试中若用液氮作为冷源，增加测试成本的同时也有安全隐患的存在。

四、金属-半导体接触法：

该方法通过在半导体表面制备金-半接触的肖特基结，利用肖特基结的整流特点进行判断。将逸出功小于n型半导体材料且大于P型的金属在测试样品表面制备好金-半接触后，若测试的整流结果为正向低阻，反向高阻，则为N型半导体；若为正向高阻，反向低阻，则为P型半导体。此方法虽然可以快速的对测试样品进行导电类型的判别，但对于GaN材料来说是不太适用的，一是接触电极的制备破坏了测试样品的表面；二是需在肖特基接触电极外的另一个电极制备欧姆接触，但是GaN上欧姆接触的制备较为复杂，增加了测试成本的同时也增加了工作量。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种利用紫外光致亲水性判断HVPE外延生长蓝宝石衬底GaN掺杂类型的方法。

术语解释

1、紫外光致亲水性：物体经紫外光照后在其表面出现的接触角明显降低的现象。

2、HVPE：氢化物气相外延。

3、接触角：是指在气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线穿过液体与固-液交界线之间的夹角θ，是润湿程度的量度。

本发明的技术方案为：

一种利用紫外光致亲水性判断HVPE外延生长蓝宝石衬底GaN掺杂类型的方法，具体步骤包括：将待测GaN样品在紫外灯下照射，在紫外灯下照射后，如果待测GaN样品的接触角较紫外灯下照射之前降低了至少10°以上，则待测GaN样品为N型GaN，否则，该测试样品为P型GaN。

较P型GaN，N型GaN在生长过程中更容易形成V_Ga-O_N缺陷，因此，在紫外灯照射过程中由于氧空位的形成使得空气中的水分子在该位置上进行化学解离吸附，形成羟基基团，导致接触角大大降低，而P型GaN则基本无变化。

根据本发明优选的，所述将待测GaN样品在紫外灯下照射，照射时间为5～50min，照射的相对湿度为15％～35％。

根据本发明优选的，所述紫外灯的功率取值为400W，照射时间为30min，照射的相对湿度为30％。

根据本发明优选的，待紫外灯照射结束后10min内测量待测GaN样品的接触角。

根据本发明优选的，待紫外灯照射结束后5min内测量待测GaN样品的接触角。

根据本发明优选的，将待测GaN样品在紫外灯下照射之前，执行以下操作：

(1)将待测GaN样品依次经过丙酮、乙醇和去离子水超声清洗，分别清洗10-15min；

(2)N₂吹干步骤(1)获取的待测GaN样品，得到表面清洁、干燥的待测GaN样品。

根据本发明优选的，通过接触角测试仪测量待测GaN样品的接触角。

根据本发明优选的，测量待测GaN样品的接触角，具体步骤包括：

a、将液滴滴于待测GaN样品表面；

b、拍摄待测GaN样品，得到照片；

c、使用量角软件测量待测GaN样品的接触角。

本发明的有益效果为：

1、本发明所采用的GaN掺杂类型判别方法耗时短，可以快速得到测试结果，与之前的判别方法相比省去了繁琐的多个数据点采集以及后续数据处理的操作。

2、本发明所采用的GaN掺杂类型判别方法中，紫外光照射后的N型GaN样品在黑暗中放置约三天左右其表面接触角可恢复原状态，对测试样品表面无电极制备等任何破坏，在测试结束后还可应用于其他实验中。

3、本发明所采用的GaN掺杂类型判别方法仪器简单，易于操作。测试人员无需进行光刻等金属电极的制备，无需复杂的仪器设备培训即能使用。

4、本发明所采用的GaN掺杂类型判别方法安全性高。整个测试过程中没有高温热源、低温冷源、电场、磁场以及腐蚀性溶液的存在

5、本发明所采用的GaN掺杂类型判别方法成本极低，无需电极蒸镀等价格较高的仪器设备，方便各大小实验室使用。

6、本发明所采用的GaN掺杂类型判别方法结果明显，易于判别。其中N型GaN样品在相对湿度30％的条件下接触角的变化在紫外光照前后可达44°，而P型样品则基本无变化。

7、本发明所采用的GaN掺杂类型判别方法可同时对多个样品进行紫外光照，使测试时间大大节省。

附图说明

图1为本发明实施例1所述接触角测试仪的结构示意图；

图2为本发明实施例1紫外灯照射装置结构图；

图3为实施例1中一号样品紫外灯照射前、后接触角图片对比示意图；

图4为实施例1中二号样品紫外灯照射前、后接触角图片对比示意图；

图5为实施例1中一号样品经紫外灯照射后接触角恢复过程示意图。

1：底座；2：CCD相机；3：针管；4：载样品台；5：照明灯；6：封闭铁橱；7：样品台；8：400W高压汞灯；9：汞灯支架。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。

实施例

一种利用紫外光致亲水性判断HVPE外延生长蓝宝石衬底GaN掺杂类型的方法，本实施例判断一号样品及二号样品的掺杂类型，一号样品为HVPE外延生长蓝宝石衬底的非故意掺杂N型GaN(载流子浓度～1×10¹⁷/cm³)，二号样品为Mg掺杂P型GaN(载流子浓度～6×10¹⁶/cm³)；具体步骤包括：

(1)将一号样品及二号样品依次经过丙酮、乙醇和去离子水超声清洗，分别清洗15min；

(2)N₂吹干步骤(1)获取的一号样品及二号样品，得到表面清洁、干燥的一号样品及二号样品；

(3)使用承德金和仪器制造有限公司制造的型号为JY-PHb的接触角测试仪测量一号样品及二号样品表面接触角，接触角测试仪的结构示意图如图1所示，包括：底座1、CCD相机2、针管3、载样品台4、照明灯5，水滴体积为2.5μl，一号样品及二号样品的尺寸均为0.8cm×0.8cm；

(4)拍摄一号样品及二号样品；

(5)将一号样品及二号样品倾斜使水滴滑落，并用N₂吹干表面，测得一号样品及二号样品表面接触角结果分别为52.8°和48.5°。如图3、图4所示。

(6)在封闭环境中同时对一号样品及二号样品进行紫外灯照射，紫外灯照射一号样品及二号样品的装置结构示意图如图2所示，包括：封闭铁橱6、样品台7、400W高压汞灯8、汞灯支架9。封闭铁橱6内设置样品台7，样品台7上设有两个汞灯支架9，两个汞灯支架9之间连接400w高压汞灯8，400w高压汞灯8与样品台7之间的距离为10cm；一号样品及二号样品放置在样品台7上，光照时间为30min，相对湿度为30％。

(7)光照结束后5min，将一号样品及二号样品取出，测量接触角。依次测量一号样品及二号样品表面接触角，水滴体积2.5μl。测得一号和二号样品表面接触角结果分别为8.5°和46.4°。如图3、图4所示。

(8)由于一号样品紫外灯照射后接触角大大降低，则判断为N型GaN，而二号样品在紫外灯照射后接触角无太大变化，则判断为P型GaN。

一号样品经紫外灯照射后接触角恢复过程示意图如图5所示。由图5可知，经过70小时后，接触角又恢复至紫外灯照射前的状态，在测试结束后还可应用于其他实验中。

本实施例耗时约40min，而之前背景技术中的判别方法包括制备欧姆接触电极的时间则需要几个小时，时间减少了80％以上。耗时短，可以快速得到测试结果。

Claims (8)

1.一种利用紫外光致亲水性判断HVPE外延生长蓝宝石衬底GaN掺杂类型的方法，其特征在于，具体步骤包括：将待测GaN样品在紫外灯下照射，在紫外灯下照射后，如果待测GaN样品的接触角较紫外灯下照射之前降低了至少10°以上，则待测GaN样品为N型GaN，否则，该测试样品为P型GaN。

2.根据权利要求1所述的一种利用紫外光致亲水性判断HVPE外延生长蓝宝石衬底GaN掺杂类型的方法，其特征在于，所述将待测GaN样品在紫外灯下照射，照射时间为5～50min，照射的相对湿度为15％～35％。

3.根据权利要求1所述的一种利用紫外光致亲水性判断HVPE外延生长蓝宝石衬底GaN掺杂类型的方法，其特征在于，所述紫外灯的功率取值为400W，照射时间为30min，照射的相对湿度的取值为30％。

4.根据权利要求1所述的一种利用紫外光致亲水性判断HVPE外延生长蓝宝石衬底GaN掺杂类型的方法，其特征在于，待紫外灯照射结束后10min内测量待测GaN样品的接触角。

5.根据权利要求1所述的一种利用紫外光致亲水性判断HVPE外延生长蓝宝石衬底GaN掺杂类型的方法，其特征在于，待紫外灯照射结束后5min内测量待测GaN样品的接触角。

6.根据权利要求1所述的一种利用紫外光致亲水性判断HVPE外延生长蓝宝石衬底GaN掺杂类型的方法，其特征在于，将待测GaN样品在紫外灯下照射之前，执行以下操作：

(1)将待测GaN样品依次经过丙酮、乙醇和去离子水超声清洗，分别清洗10-15min；

(2)N₂吹干步骤(1)获取的待测GaN样品，得到表面清洁、干燥的待测GaN样品。

7.根据权利要求1所述的一种利用紫外光致亲水性判断HVPE外延生长蓝宝石衬底GaN掺杂类型的方法，其特征在于，通过接触角测试仪测量待测GaN样品的接触角。

8.根据权利要求7所述的一种利用紫外光致亲水性判断HVPE外延生长蓝宝石衬底GaN掺杂类型的方法，其特征在于，测量待测GaN样品的接触角，具体步骤包括：

a、将液滴滴于待测GaN样品表面；

b、拍摄待测GaN样品，得到照片；

c、使用量角软件测量待测GaN样品的接触角。